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Análisis de la causa raíz del daño de los rodamientos en turbinas eólicas

nsk turbina hauptrotorlager

Los síntomas de daños en los rodamientos conocidos como descamación de la estructura blanca, que se producen en los aerogeneradores y en otros sistemas de propulsión, suelen notarse muy pronto, mucho antes del final de la vida útil esperada del rodamiento.

Las causas han permanecido desconocidas por mucho tiempo, pero ahora, el especialista en cojinetes NSK pone a disposición nuevos hallazgos, cuyos resultados han llevado al desarrollo de un nuevo material para rodamientos que ofrece beneficios significativos para la longevidad de las turbinas eólicas.

Los componentes del motor de los aerogeneradores deben cumplir requisitos exigentes en términos de durabilidad y resistencia, y estos requisitos son cada vez más estrictos.

Las turbinas en tierra tradicionalmente requieren rodamientos que están diseñados para durar una vida útil de 175,000, lo que equivale a los años 20. Sin embargo, en el mercado en rápida expansión para los parques eólicos marinos, donde son comunes los altos niveles de inversión y el difícil acceso a la ubicación, se requiere una vida útil de 25 años.

Mayor vida útil, mayores cargas dinámicas

Con cargas dinámicas extremas que actúan sobre la transmisión de un aerogenerador, este requisito presenta un verdadero desafío. En las turbinas eólicas en tierra, los rodamientos principales se someten a cargas de aproximadamente 1 MN. En el mar, sin embargo, debido a las velocidades del viento muy altas, incluso las cargas estáticas y dinámicas más fuertes actúan sobre el rotor y, en consecuencia, sobre el tren motriz.

Al mismo tiempo, el tamaño y el rendimiento de los sistemas en aplicaciones tanto en tierra como en alta mar crecen continuamente. NSK actualmente fabrica rodamientos para turbinas 9.5 MW, que pronto estarán en plena producción. Además, la compañía ahora está desarrollando rodamientos para turbinas eólicas marinas con una potencia nominal aún mayor.

caja de cambios nsk

Con AWS-TF, NSK ha desarrollado un nuevo material especialmente para rodamientos de aerogeneradores.

Monitoreo de condición

El mayor rendimiento y la creciente participación en el mercado de las turbinas en alta mar son factores clave que impulsan las crecientes demandas de una mayor vida útil de los rodamientos. Como resultado, la tecnología de energía eólica es un área de aplicación ideal para los sistemas de monitoreo de condición en línea, que miden y analizan continuamente las vibraciones en el sistema de transmisión. Si se produce daño en el rodamiento, los componentes defectuosos (anillo interior o exterior, rodillos o jaula) se pueden detectar antes mediante el análisis del perfil de medición.

Un sistema de monitoreo de condición (CMS) desarrollado por NSK se ha instalado recientemente en un parque eólico marino en Japón. El rol del CMS es detectar anomalías lo suficientemente temprano para facilitar las estrategias de mantenimiento predictivo. NSK ve un gran potencial de mercado para soluciones de este tipo.

Desarrollo de materiales intensivos.

Sin embargo, el monitoreo de condición útil puede ser una medida secundaria en áreas de aplicación críticas, el objetivo principal de ingeniería al desarrollar cojinetes para aerogeneradores es, y seguirá siendo, garantizar un alto nivel de confiabilidad. En este sentido, los fabricantes ya han hecho avances considerables.

Por ejemplo, un importante contribuyente al progreso ha sido el desarrollo de nuevos materiales y procesos de tratamiento térmico, como el acero especial Super Tough (STF) de NSK. Los rodamientos hechos de este material duran el doble que los fabricados con acero convencional. De hecho, el aumento de clasificación de carga relacionado fue confirmado y certificado en diciembre 2017 por DNV GL.

Las características de larga duración de STF se han logrado utilizando una composición química particular y un proceso de tratamiento térmico especial. Los síntomas típicos de daños, como las grietas relacionadas con la vida útil en las pistas de rodamiento del rodamiento causadas por inclusiones no metálicas en el acero del rodamiento, se eliminan virtualmente en los rodamientos fabricados con STF.

Investigando las causas de la descamación de la estructura blanca

Un problema que aún afecta a la industria es el tipo de daño conocido como White Structure Flaking (WSF) o White Etching Cracks (WEC). En el caso de ambos modos de falla, ciertas áreas del material debajo de la pista de rodadura del rodamiento muestran una fragilidad local. La estructura frágil no puede soportar la carga y, por lo tanto, es el núcleo de grietas.

Finalmente, estas grietas crecen hasta la pista de rodadura y finalmente el rodamiento falla. Es típico que este tipo de daño aparezca relativamente temprano; poco después de que el sistema haya sido puesto en servicio.

Después de realizar un grabado picral, estas entidades muestran una apariencia blanca y, por lo tanto, se denominan estructuras blancas.

áreas de grabado blanco

Los síntomas de daño a un anillo de rodamiento de White Etching Cracks

Las pruebas intensivas en el departamento de investigación y desarrollo de NSK han podido replicar el daño y dar algunas hipótesis sobre su origen. Varias pruebas de fatiga por contacto rodante han demostrado que las estructuras blancas son causadas por la penetración de hidrógeno.

Esta penetración de hidrógeno es más probablemente afectada por varios factores y su combinación, incluido el deslizamiento axial o circunferencial entre rodillos y pistas de rodadura, la electricidad y ciertos tipos de lubricación.

Posteriormente, el hidrógeno penetra en la pista de rodadura y forma las típicas estructuras de grabado en blanco que conducen a formaciones de grietas y eventualmente producen descamación. Estas grietas pueden tener una longitud de varios milímetros y extenderse desde el interior hacia la superficie. Las pruebas destructivas de los rodamientos usados ​​que no mostraron signos visibles de daño a la superficie demostraron que las áreas de grabado blancas pueden incluso estar presentes aquí.

Cuando se examina el daño con más detalle, se puede observar que bajo la influencia del hidrógeno, la microestructura originalmente martensítica se degrada en una ferrita quebradiza de grano muy fino. Este mecanismo puede explicarse por la teoría de la plasticidad localizada mejorada con hidrógeno (HELP).

Una de sus características es que la plasticidad solo se produce localmente y que la fatiga global del rodamiento es leve, por lo que no es uno de los tipos clásicos de daño por fatiga que se origina debajo del canal (debido a la inclusión de partículas no metálicas) o en la pista de rodadura (debido a la contaminación severa).

Comparación de rodamientos nuevos y usados.

Entonces, ¿de dónde viene el hidrógeno? Al comparar rodamientos nuevos y usados, el equipo de investigación central de NSK determinó que el hidrógeno solo se forma mientras los rodamientos están en funcionamiento.

Es probable (al menos esta es la suposición inicial) que el hidrógeno proviene de las cadenas de hidrocarburos de los lubricantes y sus aditivos. Esta teoría se confirmó después de que los síntomas típicos de daño de las estructuras blancas se pudieran reproducir en el laboratorio con ciertos tipos de aceites y grasas.

Daño similar fue reportado por la industria automotriz en los 1990, apoyando aún más la teoría. Aquí, los cojinetes de los tensores y alternadores de la correa fallaron prematuramente, pero al cambiar la grasa y el material de la correa se resolvió el problema. Sin embargo, la influencia de la electricidad (flujo de corriente) en este modo de falla aún no se ha determinado.

rodamientos de rodillos nsk grandes cajas de engranajes

Durante más de 20 años, NSK ha ofrecido una amplia cartera de rodamientos para aerogeneradores.

Nuevas aleaciones, tratamiento térmico específico.

NSK ha desarrollado nuevas aleaciones que producen mejores resultados durante las pruebas de fatiga por contacto rodante. En las pruebas con carga de hidrógeno, la composición química optimizada llevó a un aumento de cinco veces en la resistencia WSF en comparación con los aceros convencionales.

Una mejora significativa también se logra mediante un tratamiento térmico optimizado. En este caso, la tensión residual bajo las pistas de rodadura puede aumentarse mediante carbonitruración en lugar de endurecimiento. Aunque esta medida no previene la formación de las estructuras blancas, se desarrollan muchas menos grietas a partir de estas estructuras y se extienden a la superficie más lentamente.

AWS-TF, un nuevo material para rodamientos.

Basándose en estos hallazgos, NSK introdujo un nuevo material para rodamientos llamado AWS-TF (AWS significa Anti-White Structure), que combina la composición química optimizada con un tratamiento térmico optimizado.

Las pruebas han demostrado que, si bien los rodamientos hechos de AWS-TF no eliminan totalmente el riesgo de WEC, el retraso antes de que aparezca el daño es siete veces mayor en comparación con los aceros convencionales. Las pruebas de campo iniciales en sitios de instalación críticos están actualmente en curso y parecen confirmar estos resultados de prueba.

Para más información visita www.nskeurope.com

NSK EUROPE LTD

Firma: membresía Bronce

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